向麗萍，趙普俊，王 海，潘光玲，汪 斌

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

流量計(jì)量是科學(xué)計(jì)量的重要組成部分，液體流量計(jì)量與測試技術(shù)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，推動并支持了國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展?，F(xiàn)階段，高精度的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究、建立和應(yīng)用成為了液體流量計(jì)量和測試技術(shù)發(fā)展的主要環(huán)節(jié)，并普遍引起了國內(nèi)外的高度重視[1]。

該裝置選擇以水作介質(zhì)，采用變頻調(diào)節(jié)，離心式水泵和潛水泵相結(jié)合，電磁流量計(jì)作傳遞標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)表法和靜態(tài)質(zhì)量法作原始標(biāo)準(zhǔn)的高精度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。其優(yōu)點(diǎn)是：精度高，可靠性好，流量范圍大，性能穩(wěn)定，運(yùn)行成本低，操作方便，自動化程度高，對環(huán)境無污染。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由水源系統(tǒng)、試驗(yàn)管路、工作標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成[2]，其一般構(gòu)成見圖1[3]。

靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由穩(wěn)壓水源、試驗(yàn)管路系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)閥、標(biāo)準(zhǔn)天平、稱量容器、換向器、計(jì)時器、控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。其工作原理為：將被檢流量計(jì)安裝到試驗(yàn)管路中，通過水源循環(huán)系統(tǒng)，以天平作為標(biāo)準(zhǔn)器，用秤量一定時間內(nèi)流入容器內(nèi)的流體總質(zhì)量的方法來求出被測液體的流量。比較流量標(biāo)準(zhǔn)器和流量計(jì)的輸出流量值，確定被檢流量計(jì)的計(jì)量特性。質(zhì)量法裝置的準(zhǔn)確度等級較高，可以達(dá)到0.05級。

標(biāo)準(zhǔn)表法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由穩(wěn)壓水源、試驗(yàn)管路系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、計(jì)數(shù)計(jì)時器、控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成[4]。其工作原理為：將被檢流量計(jì)安裝到試驗(yàn)管路中，通過水源循環(huán)系統(tǒng)，采用高精度電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)儀表對其他工作用流量計(jì)進(jìn)行校正。從同一時刻開始記錄標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)的輸出信號，經(jīng)過一段時間同時停止記錄，比較標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)的輸出信號值，確定被檢流量計(jì)的計(jì)量特性[5]。其準(zhǔn)確度等級可以達(dá)到0.2級。

1.2 試驗(yàn)管路設(shè)計(jì)

（1）管路口徑。設(shè)計(jì)管路為2個工作臺位，分別為 φ15 mm，φ25 mm，φ32 mm，φ40 mm，φ50 mm，φ65 mm 和 φ80 mm，φ100 mm，φ150 mm，φ200 mm，φ250 mm，φ300 mm共12個檢測口徑試驗(yàn)管路[6]。

（2）密封性。在工作壓力下各部件的連接處不應(yīng)有泄漏現(xiàn)象。

（3）管路條件

1）管道采用并聯(lián)布置，一條試驗(yàn)管路可以用并聯(lián)的多臺標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表的組合能夠檢定大流量儀器設(shè)備的目的。

2）標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的前后直管段應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所需直管段的設(shè)計(jì)要求。管內(nèi)流體只有通過足夠長的直管段以后才能形成以管道中心線為對稱軸的一個拋物面，由于流動過程中存在各種干擾，液體流經(jīng)阻力件（如彎頭、三通、閥門等）時，流速分布會發(fā)生畸變以及產(chǎn)生旋渦，這種情況稱為非充分發(fā)展管流。非充分發(fā)展管流只有在很長的直管段末端或加裝流動調(diào)整器后速度分布才能恢復(fù)到充分發(fā)展管流。

3）流量調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)的下游側(cè)，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定。

4）檢測時流體應(yīng)充滿管路，有排氣設(shè)計(jì)，管路后端有背壓設(shè)計(jì)。

1.3 水源穩(wěn)壓系統(tǒng)

其目的是有效保證液體流動時，其任意流量點(diǎn)的壓力、流速等運(yùn)動要素均保持在較小范圍波動。

（1）合理配置水泵，根據(jù)大、小水泵相組合的原則，采用1臺流量可達(dá)800m3/h的單級雙吸離心式水泵和1臺18.5kW井用潛水泵，最大流量滿足被檢儀器設(shè)備的流量范圍。

（2）變頻調(diào)速。采用兩臺森蘭變頻調(diào)速器（22kW和90 kW），通過對水泵的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，改變水流量大小。

（3）穩(wěn)壓處理。高精度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置使用的是多層隔離氣塞、液氣高位溢流臥式穩(wěn)壓罐。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對流場的流量穩(wěn)定度要求越來越高，為了提高流量穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用多層隔離氣塞加液氣高位溢流相結(jié)合的臥式穩(wěn)壓技術(shù)。流量穩(wěn)定性達(dá)到0.1%，為液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的試驗(yàn)管線提供了單相穩(wěn)流水源。

2 基于Stardom的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

Stardom系統(tǒng)是日本橫河電機(jī)株式會社（YOKOGAWA electric corporation）推出的一套基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制系統(tǒng)（network-based control system）。該控制系統(tǒng)采用了專為電子商務(wù)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便更加快速地響應(yīng)市場的需求和更好地與其他系統(tǒng)互聯(lián)。而且它又融合了YOKOGAWA在工業(yè)自動化領(lǐng)域的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)?？煽俊⑦\(yùn)行良好、靈活是Stardom作為一種工業(yè)控制系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)，而且還融合了最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如WEB，JAVA和安全技術(shù)。這些最新的IT技術(shù)的使用，使系統(tǒng)更開放、組合更靈活，以滿足日益提高的自動化控制平臺要求。

2.1 中央自動控制系統(tǒng)

自動控制部分使用一臺FCN（現(xiàn)場控制單元）為控制中心，接收來自上位機(jī)的數(shù)字信號和來自儀表的模擬電信號，發(fā)送用于控制的模擬信號，自動完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。控制系統(tǒng)的功能：對于裝置中11個氣動閥門、3個換向器、計(jì)時器、計(jì)數(shù)器、2臺泵（變頻調(diào)速）進(jìn)行自動控制。整個控制系統(tǒng)由工控機(jī)、通用計(jì)數(shù)器、FCN、電磁閥、變頻器、繼電器、氣動閥等組成[7]。FCN通過OPC接口標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)通信，接收來自PC機(jī)的數(shù)字控制信號，向PC機(jī)發(fā)送來自標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表、溫度變送器和壓力變送器的預(yù)處理信號。FCN直接接收來自標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表、溫度變送器和壓力變送器的模擬電信號，通過OPC接口轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。同樣FCN可以向換向電磁閥、變頻器、繼電器發(fā)送用于控制的模擬信號。上位機(jī)通過GP-IB卡同通用計(jì)數(shù)器通信。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制圖見圖2。

圖2 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制圖

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

（1）液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置使用的基于OPC協(xié)議的3層架構(gòu)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)分為3層：

應(yīng)用程序?qū)樱贺?fù)責(zé)人機(jī)對話，所有上位機(jī)控制操作均集中于此，檢定裝置的數(shù)據(jù)運(yùn)算也架構(gòu)于此層；

邏輯控制層：由OPC協(xié)議作為中間件，負(fù)責(zé)高級語言和下位機(jī)的通信；

硬件訪問層：負(fù)責(zé)對AD（數(shù)字信號，模擬信號）進(jìn)行控制和采集。

應(yīng)用程序?qū)雍瓦壿嬁刂茖娱g采用在TPC/IP上疊加OPC協(xié)議進(jìn)行連接，比常用的232，485，488，Modbus，HART等協(xié)議從技術(shù)上提升了一代，應(yīng)用程序?qū)硬皇芡ㄐ艆f(xié)議的制約，可自由定制開發(fā)上位軟件，同時使接口標(biāo)準(zhǔn)化。三層架構(gòu)使高級語言和硬件之間不直接通信，使應(yīng)用程序?qū)雍陀布臃蛛x，有利于應(yīng)用程序的開發(fā)和硬件層的配置，降低了依賴性；同時中間件的應(yīng)用為分布式系統(tǒng)提供了平臺，可以與其他系統(tǒng)組網(wǎng)。

（2）基于TCP/IP協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置向流量量值直接溯源是一個比較困難的事情，國際上推崇采用流量比對組件進(jìn)行量值溯源，流量比對組件一般采用TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與被溯源流量裝置組網(wǎng)。該裝置在控制系統(tǒng)和中間件之間也采用了TCP/IP協(xié)議，與比對組件組網(wǎng)簡單，并可充分利用單位局域網(wǎng)絡(luò)資源。流量裝置控制系統(tǒng)置身于分布式系統(tǒng)環(huán)境，具備了遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)傳校準(zhǔn)溯源的能力。

通過使用TCP/IP協(xié)議，使液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為網(wǎng)絡(luò)中的一員可以與其他系統(tǒng)共用資源，并可擴(kuò)展為BS系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Delphi7編程，主要完成錄入被檢表信息、預(yù)設(shè)檢定方法、流場切換、采集FCN預(yù)處理后的信號并記錄、原始記錄文件導(dǎo)出等功能，發(fā)送用于控制變頻器和電磁閥的數(shù)字信號。當(dāng)檢定流量計(jì)夾裝完成后，通過預(yù)設(shè)的各項(xiàng)檢定可以自動進(jìn)行，并保存檢定數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有自動檢定功能，人為設(shè)定檢定點(diǎn)。系統(tǒng)采用通用工業(yè)控制人機(jī)界面，符合行業(yè)習(xí)慣。各種原始數(shù)據(jù)如檢定流量點(diǎn)、稱量值、時間、介質(zhì)壓力、介質(zhì)溫度顯示在屏幕上供檢定員觀察。

2.3 開放式換向器同步觸發(fā)高精度計(jì)時計(jì)數(shù)系統(tǒng)

由換向器引入的不確定度分量是液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度的重要分量，開放式換向器對試驗(yàn)介質(zhì)流場不產(chǎn)生干擾，只要提高換向器的左右行程一致性和觸發(fā)同步性就能減小換向器引入的不確定度分量，提高液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量準(zhǔn)確度。該系統(tǒng)的開放式換向器配備了兩臺相同觸發(fā)原理的高精度計(jì)時計(jì)數(shù)器，整個計(jì)時系統(tǒng)相對擴(kuò)展不確定度優(yōu)于10-7，換向器引入的不確定度分量優(yōu)于0.01%，高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，處于全國先進(jìn)水平。

3 裝置實(shí)際應(yīng)用情況

（1）作為流量單位量值的統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，確保我國各地區(qū)和各部門的流量量值統(tǒng)一在一個標(biāo)準(zhǔn)量值上。

（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的型式、性能試驗(yàn)研究工作，通過試驗(yàn)可以確定準(zhǔn)確度等級、流量的范圍度承受能力、儀表的可靠性與壽命、重復(fù)性等。另一方面，通過試驗(yàn)可以研究儀表的動態(tài)特性，便于對儀表進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，進(jìn)一步考慮儀表適應(yīng)的環(huán)境條件。

（3）研究參比條件和實(shí)際使用條件之間的差異對儀表準(zhǔn)確度的影響，采用合理的介質(zhì)換算和修正方法[8]。

（4）開展檢定測試及仲裁工作，為流量儀表生產(chǎn)企業(yè)行業(yè)服務(wù)。

（5）制定國家或企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程時，研究測試方法并進(jìn)行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

（6）進(jìn)行國內(nèi)外比對工作，確定系統(tǒng)不確定度，修正量值。

4 結(jié)束語

高精度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立，完善了我省的流量量傳體系，擴(kuò)大了我省流量儀表的測試范圍，有力地推動了我國流量測試技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展。該裝置將擔(dān)負(fù)起國家賦予的西南地區(qū)和四川省的流量量值傳遞任務(wù)，并隨著目前國家重點(diǎn)項(xiàng)目“南水北調(diào)”工程的迅速推進(jìn)完成，將把我國西南部的水資源不斷地通過管道輸送到北部的廣闊市場。各種儀表特別是大口徑流量儀表將會得到大力發(fā)展，有利于流量儀表生產(chǎn)廠家技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，有利于流量行業(yè)自動化水平和使用范圍的進(jìn)一步推廣。

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